【導(dǎo)讀】隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)各行業(yè)發(fā)揮了重要的作用。技術(shù)人員和客戶的好評(píng)。在溫度控制方面，單片機(jī)能夠代替常規(guī)的模擬調(diào)節(jié)器。要設(shè)計(jì)了單片機(jī)爐溫控制系統(tǒng)硬件電路和軟件程序。系統(tǒng)具工作可靠、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，滿足控制精度的要求。本著在滿足系統(tǒng)性能要求的前提下，盡可能的減少硬件成本。溫進(jìn)行檢測(cè)，并且選用OP07低漂移高精度前置放大器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。完成數(shù)模轉(zhuǎn)換之后，8051單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。采用分段方法控制三臺(tái)電阻爐溫度。人機(jī)接口電路部分能實(shí)現(xiàn)溫度設(shè)定、溫度顯示、超溫報(bào)警等功能。本文重點(diǎn)介紹硬件的選取與接口電路的設(shè)計(jì)、模擬量輸入通道和開(kāi)關(guān)量。第二章單片機(jī)在爐溫控制中的應(yīng)用········································································2. 單片機(jī)與爐溫控制系統(tǒng)····················································································2

　　

【正文】 12 ① 要求用 PID 算法控制 2臺(tái)電爐溫度，使其保持恒溫工作。 2 臺(tái)電爐溫度由外電路人工設(shè)定。 ② 要求實(shí)時(shí)顯示電爐溫度，顯示位數(shù)為 4 位，即176。 C（例如 1000176。 C）。 ③ 當(dāng)不能保證所要求的溫度時(shí)，即發(fā)生超溫，極值， 和電阻絲損壞等情況時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 ④ 要求可實(shí)現(xiàn)將電阻爐溫度實(shí)時(shí)打印功能。 ⑤ 對(duì)升溫和降溫過(guò)程的時(shí)間不做要求。 ⑥ 系統(tǒng)有進(jìn)一步擴(kuò)展的需要，輸入 /輸出通道和存儲(chǔ)器容量要適當(dāng)留下余量。 C P U單 片 機(jī)8 0 3 1I / O接 口電 路8 2 5 5溫 度 設(shè) 定溫 度 顯 示故 障 報(bào) 警打 印A / D邏 輯 控 制S / H多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)爐 溫 1 信號(hào)爐 溫 2 信號(hào)鍋爐溫度輸 出 鎖存 器輸 出 驅(qū) 動(dòng) 器人 機(jī) 接 口 主 機(jī)過(guò) 程 通 道被 控 對(duì) 象光 電 隔離 電 路信 號(hào) 放大 電 路傳 感器 圖 31 硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 合肥學(xué)院計(jì)算機(jī)控制設(shè)計(jì) 13 軟件程序總體流程圖 主 程 序并 行 口 初 始 化串 行 口 初 始 化定 時(shí) 器 初 始 化中 斷 系 統(tǒng) 初 始 化等 待 定 時(shí) 中 斷定 時(shí) 中 斷 程 序3 0 s 定 時(shí) 到 ？撥 盤(pán) 設(shè) 定 值 檢 測(cè)溫 度 檢 測(cè)標(biāo) 度 變 換溫 度 顯 示溫 度 超 出 范 圍 否 ？中 斷 返 回 報(bào) 警 及 事 故 處 理 溫 度 打 印Y N N Y溫 度 控 制8 2 5 5 A 初 始 化 圖 32 軟件設(shè)計(jì)總體流程圖 合肥學(xué)院計(jì)算機(jī)控制設(shè)計(jì) 14 第四章 微處理器的選用及原理 單片機(jī)的介紹 單片機(jī)控制系 統(tǒng)的概念 單片機(jī)控制系統(tǒng)由單片機(jī)系統(tǒng)和工業(yè)對(duì)象組成，如圖 41 所示。單片機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件是指單片機(jī)本身及外圍設(shè)備實(shí)體，軟件是指管理單片機(jī)的程序以及過(guò)程控制的應(yīng)用程序。工業(yè)對(duì)象包括被控對(duì)象、測(cè)量變送、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電器開(kāi)關(guān)等裝置。 工業(yè)對(duì)象輸 入 通 道及 接 口輸 出 通 道及 接 口單片機(jī)外 存人 機(jī) 聯(lián) 系設(shè) 備 及 接 口 圖 41 單片機(jī)控制系統(tǒng)圖 MCS51單片機(jī) 圖 4 2 51系列單片機(jī) 本設(shè)計(jì)采用 MCS51 單片機(jī)的 8031 作為 CPU, MCS51 系列單片機(jī)有十多個(gè)品種，其性能如表所示。 合肥學(xué)院計(jì)算機(jī)控制設(shè)計(jì) 15 表 41 MCS51系列單片機(jī)性能表 ROM 形式 片內(nèi) ROM/B 片內(nèi) RAM/B 尋址 范圍 /B I/O 中斷源 /個(gè) 片內(nèi) ROM 片內(nèi) EPROM 外接 EPROM 計(jì)數(shù)器 /個(gè) 并行口 /個(gè) 串行口 /個(gè) 8051 8751 8031 4K 128 264K 216b 48b 1 5 80C51 87C51 80C31 4K 128 264K 216b 48b 1 5 8052 8752 8032 8K 256 264K 316b 48b 1 6 80C552 87C552 80C532 8K 256 264K 316b 68b 2 15 由表 41可知， 8051 片內(nèi)除具有 CPU（包括控制器與運(yùn)算器）外，還包括 ROM,RAM,4 8位的并行口，串行口和 2 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。它是一個(gè)功能很強(qiáng)的單片微型計(jì)算機(jī)，但由于 8051 片內(nèi)為掩膜 ROM，內(nèi)部程序不能改寫(xiě)，不便于實(shí)驗(yàn)和開(kāi)發(fā)。如在實(shí)驗(yàn)調(diào)試中使用 8051，需在片外擴(kuò)展可改寫(xiě)的 EPROM。 8751 具有片內(nèi) EPROM,是真正的單片機(jī)，但由于價(jià)格較貴，所以用得較少。 8031 片 內(nèi)沒(méi)有 EPROM，但它在市場(chǎng)上的價(jià)格很低，只需在片外擴(kuò)展一片 EPROM 就可構(gòu)成 8751，所以使用非常廣泛。目前使用 MCS51開(kāi)發(fā)產(chǎn)品時(shí)，絕大多數(shù)用 8031。 ? MCS51 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 合肥學(xué)院計(jì)算機(jī)控制設(shè)計(jì) 16 圖 43 8051單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)應(yīng)該由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器（ ROM 及 RAM）和 I/O 接口組成。一般微處理器（如 Z80）只包括運(yùn)算器和控制器兩部分。和一般為處理器相比， 8051 增加了四個(gè) 8 位 I/O 口、一個(gè)串行口、 4KB ROM、 128B RAM、很多工作寄存器及特殊功能寄存器（ SFR）。各部分的功能簡(jiǎn)述如下。 ① 中央處理單元（ CPU） CPU 是單片機(jī)的核心，是計(jì)算機(jī)的控制和指揮中心，由運(yùn)算器和控制器等部件組成。 a) 運(yùn)算器：包括一個(gè)可進(jìn)行 8位算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的單元 ALU， 8位的暫存器 暫存器 2， 8位的累加器 ACC，寄存器 B和程序狀態(tài)寄存器 PSW 等。 ALU：可對(duì) 4位（半字節(jié)）、 8 位（一字節(jié)）和 16 位（雙字節(jié)）數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。能做加減、乘、除、加 減 BCD數(shù)十進(jìn)制調(diào)整及比較等算術(shù)運(yùn)算和與、或、異或、求補(bǔ)及循環(huán)移位等邏輯操作。 ACC：累加器 ACC 經(jīng)常作為一個(gè)運(yùn)算數(shù)經(jīng)暫存器 2 進(jìn)入 ALU 的輸入端，與另一個(gè)來(lái)自暫存器 1的運(yùn)算數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果又送回 ACC。除此之外， ACC 在 8051 內(nèi)部經(jīng)常作為數(shù)據(jù)傳送的中轉(zhuǎn)站。在指令中用助記符 A來(lái)表示。 PSW：程序狀態(tài)字寄存器， 8位，用于指示指令執(zhí)行后的狀態(tài)信息，相當(dāng)于一般微處理器的標(biāo)志寄存器。 PSW 中各位狀態(tài)供程序查詢和判別用。 合肥學(xué)院計(jì)算機(jī)控制設(shè)計(jì) 17 B： 8 位寄存器，在乘、除運(yùn)算時(shí)， B寄存器用來(lái)存放一個(gè)操作數(shù)，也用來(lái)存放運(yùn)算后的一部分結(jié)果；若不做乘、除運(yùn)算時(shí)，則可作為通用寄存器使用。 另外， 8051 片內(nèi)還有一個(gè)布爾處理器 ，它以 PSW 中的進(jìn)位標(biāo)志位 CY 為其累加器（在布爾處理器及其指令中以 C代替 CY），專門(mén)用于處理位操作。 b) 控制器：包括程序計(jì)算器 PC、指令寄存器 IR、指令譯碼器 ID、振蕩器及定時(shí)電路等。 程序計(jì)數(shù)器 PC：有兩個(gè) 8位的計(jì)數(shù)器 PCH 及 PCL 組成，共 16 位。 PC實(shí)際上是程序的字節(jié)地址計(jì)數(shù)器， PC 中的內(nèi)容是將要執(zhí)行的下一條指令的地址。改變 PC 的內(nèi)容就可改變程序執(zhí)行的方向。 PC 可對(duì) 64KB 的 ROM(程序存儲(chǔ)器 )直接尋址，也可對(duì) 8051 片外 RAM（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）尋址。 指令寄存器 IR 及指令譯碼器 ID：由 PC 中的內(nèi)容指定 ROM 地址，取出來(lái)的指令經(jīng)指令寄存器 IR送至指令譯碼器 ID，由 ID 對(duì)指令譯碼并送 PLA 產(chǎn)生一定序列的控制信號(hào)，以執(zhí)行指令所規(guī)定的操作。 振蕩器及定時(shí)電路： 8051 單片機(jī)片內(nèi)有振蕩電路，只需外接石英晶體和頻率微調(diào)電容（ 2 個(gè) 30pF 左右），其頻率范圍為 。該脈沖信號(hào)就作為 8051 工作的基本節(jié)拍，即時(shí)間的最小單位。 ② 存儲(chǔ)器 8051 片內(nèi)有 ROM（程序存儲(chǔ)器，只能讀）和 RAM（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可讀可寫(xiě)）兩類，它們有各自獨(dú)立的存儲(chǔ)地址空間，與一般微機(jī)的存儲(chǔ)器配置方式很不相同。 a) 程序存儲(chǔ)器 (ROM):8051 及 8751 的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器容量為 4KB，地址從 0000H 開(kāi)始，用于存放程序和表格常數(shù)。 b) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM):8051/8751/8031 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器均為 128B，地址為 00H—7FH，用于存放運(yùn)算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存以及數(shù)據(jù)緩沖等。 在這 128B 的 RAM 中，有 32個(gè)字節(jié)單元可指定為工作寄存器，這同一般微處理器不同。 8051 的片內(nèi) RAM 和工作寄存器排在一個(gè)隊(duì)列里統(tǒng)一編址。 由圖 ， 8051 單片機(jī)內(nèi)部還有 SP， DPTR， PCON，?， IE， IP等特殊功能寄存器，它們也同 128 字節(jié) RAM 在一個(gè)隊(duì)列里編址，地址為 80H— FFH。在這 128字節(jié) RAM單元中有 21個(gè)特殊功能寄存器（ SFR），這些特殊功能寄存器還包括 P0P3 口鎖存器。 ③ I/O 接口 8051 有四個(gè) 8 位并行接口，即 P0P3。它們都是雙向端口，每個(gè)端口各有 8 條 I/O合肥學(xué)院計(jì)算機(jī)控制設(shè)計(jì) 18 線，均可輸入 /輸出。 P0P3口四個(gè)鎖存器同 RAM 統(tǒng)一編址，可以把 I/O 口當(dāng)作一般特殊功能寄存器來(lái)尋址。 MCS51單片機(jī)引腳 51系列單片機(jī)引腳分配如圖 45 所示 。 圖 44 mcs51單片機(jī)引腳 圖 這 40 腳大致可分為：電源（ VCC、 VSS、 VDD、 VPD），時(shí)鐘（ XTAL XTAL2）， I/O（ P0— P3），地址總線（ P0、 P2），數(shù)據(jù)總線（ BUS）和控制總線（ ALE、 RST、 PROG 、 PSEN 、EA ） 6大部分。它們的功能簡(jiǎn)述如下： ? 電源線 VSS：引腳號(hào) 20，電源地線。 VCC：引腳號(hào) 40,芯片的主電源，接 +5V。 ? 控制總線 ALE/PROG ：引腳號(hào) 30，地址鎖存有效信號(hào)，在它的下降沿用于外部程序存儲(chǔ)器的低 8位地址鎖存，使 BUS（ P0）分時(shí)用作地址總線低 8 位和數(shù)據(jù)總線。此信號(hào)每機(jī)器周期出現(xiàn) 2次，只在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器期間才不輸出 ALE。所以在任何不使用外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的系統(tǒng)中， ALE 以 1/6 振蕩頻率的固定速率輸出，因而它能用作外部時(shí)鐘或定時(shí)器。在 8751 片內(nèi) EPROM 編程時(shí)，此段輸入編程脈沖信號(hào)（ PROG ）。 PSEN ：引腳號(hào) 29，外部程序存儲(chǔ)器選擇信號(hào)，并在外部程 序存儲(chǔ)器讀取指令時(shí)產(chǎn)生，指令內(nèi)容讀到數(shù)據(jù)總線上。此信號(hào)在每個(gè)機(jī)器周期產(chǎn)生 2 次有效，在執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器取指時(shí)無(wú)效。 合肥學(xué)院計(jì)算機(jī)控制設(shè)計(jì) 19 RST/VPD：引腳號(hào) 9，復(fù)位輸入信號(hào)。在振蕩器工作時(shí)，該引腳上 2 個(gè)機(jī)器周期的高電平可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。在掉電情況下（ VCC 降到操作允許限度以下）， VPD 將為芯片內(nèi)的RAM提供備用電源。 EA /VDD：引腳號(hào) 31，訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)輸入端。當(dāng)為低電平時(shí)，單片機(jī)都到外部程序存儲(chǔ)器取指。當(dāng)為高電平且 PC 值小于 0FFFH 時(shí)， CPU 執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器程序。 在 8751 片內(nèi) EPROM 編程時(shí)，此端為 21V 編程電源（ VDD）輸入端。 ? I/O 線 P0（ BUS）：引腳號(hào) 32— 39，單片機(jī)的雙向數(shù)據(jù)總線和低 8位地址總線。在分時(shí)操作時(shí)，先用作地址總線，在 ALE 信號(hào)的下降沿，地址被鎖存，然后作為數(shù)據(jù)總線；也可以作為雙向并行 I/O口。在程序校驗(yàn)期間，它用于數(shù)據(jù)輸出。 P1：引腳號(hào) 1— 8，準(zhǔn)雙向 I/O 口。在編程校驗(yàn)期間，用于輸入低 8位地址。 P2：引腳號(hào) 21— 28，準(zhǔn)雙向 I/O 口。在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，用作高 8 位地址總線；在作編程校驗(yàn)時(shí)，用于輸入高 8位地址和控制信息。 P3：引腳號(hào) 10— 17，準(zhǔn)雙向 I/O口。 P3 的每一根線還有特殊的第二功能，如表 42示。 表 42 P3口的第二功能 引腳 第二功能標(biāo)記 第二功能 RXD 串行輸入口 TXD 串行輸出口 0INT 外部中斷 0輸入 1INT 外部中斷 1輸入 T0 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0外部輸入 T1 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1外部輸入 WR 外部數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通 RD 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 ? 振蕩器和時(shí)鐘電路 XTAL1：引腳號(hào) 19，內(nèi)部振蕩器外接晶振的一個(gè)輸入端。在使用外部振蕩源時(shí)，此合肥學(xué)院計(jì)算機(jī)控制設(shè)計(jì) 20 端必須接地。 XTAL2：引腳號(hào) 18，內(nèi)部振蕩器外接晶振的另一個(gè)輸入端。在使用外部振蕩源時(shí)，此端用于輸入外部振蕩信號(hào)。 XTAL2 也是內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 當(dāng)訪問(wèn)外部程序器時(shí)， ALE(地址鎖存 )的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器時(shí)， ALE 端將有一個(gè) 1/6 時(shí)鐘頻率的正脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以用于識(shí)別單片機(jī)是否工作，也可以當(dāng)作一個(gè)時(shí)鐘向外輸出。 如果單片機(jī)是 EPROM，在編程其間， 將用于輸入編程脈沖。 當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，此腳輸出負(fù)脈沖選通信號(hào)， PC 的 16 位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在 P0 和 P2 口上，外部程序存儲(chǔ)器則把指令數(shù)據(jù)放到 P0口上，由 CPU 讀入并執(zhí)行。 EA/Vpp程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通線， 8051 和 8751 單片機(jī)，內(nèi)置有 4kB 的程序存儲(chǔ)器，當(dāng) EA為高電平并且程序地址小于 4kB時(shí)，讀取內(nèi)部程序存儲(chǔ)器指令數(shù)據(jù)，而超過(guò) 4kB 地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)。如 EA為低電平，則不管地址大小，一律讀取外部程 序存儲(chǔ)器指令。 圖 45 時(shí)鐘電路接線圖 復(fù)位及其復(fù)位電路 復(fù)位操作 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，其主要功能是將程序計(jì)數(shù)器 PC 初始化為 0000H，使單片機(jī)從 0000H 單元開(kāi)始執(zhí)行程序。 在運(yùn)行中，外界干擾等因素可使單片機(jī)的程序陷入死循環(huán)狀態(tài)或跑飛。為擺脫困境，可將單片機(jī)復(fù)位，以重新啟動(dòng)。 復(fù)位也使單片機(jī)退出低功耗工作方式而進(jìn)入正常工作狀態(tài)。 合肥學(xué)院計(jì)算機(jī)控制設(shè)計(jì) 21 復(fù)位不影響片內(nèi) RAM 的內(nèi)容，但對(duì) SFR 中的一些寄存器有影響，如表 27 所示。 表 4－ 3 PC及 SFR的復(fù)位狀態(tài) 復(fù)位電路 RST 引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端，高電平有效。其有效 時(shí)間應(yīng)持續(xù) 24 個(gè)振蕩周期（即兩個(gè)機(jī)器周期）以上。 RESET/Vpd復(fù)位信號(hào)復(fù)用腳，當(dāng) 8051 通電，時(shí)鐘電路開(kāi)始工作，在RESET 引腳上出現(xiàn) 24 個(gè)時(shí)鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。 8051 的復(fù)位方式可以是自動(dòng)復(fù)位，也可以是手動(dòng)復(fù)位，見(jiàn)下圖。此外， RESET/Vpd還是一復(fù)用腳， Vcc掉電期 間 ， 此腳 可 接上 備 用電 源 ， 以 保 證單 片 機(jī)內(nèi) 部 RAM 的 數(shù) 據(jù)不 丟 失 。 復(fù)位操作有上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)按鍵復(fù)位兩種方式。圖 24 為具有兩種復(fù)位方式的電路。只要電源的上升時(shí)間不超過(guò) 1ms，就可以 完成自動(dòng)上電復(fù)位，即接通電源時(shí)就完成了復(fù)位操作。按動(dòng)鍵 S，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位。 復(fù)位電路如圖 46 所示： 寄存器 復(fù)位狀態(tài) 寄存器 復(fù)位狀態(tài) PC 0000H TH1 00H ACC 00H P0～ P3 FFH PSW 00H IP XX00,0000B SP 07H IE 0XX0,0000B DPTR 0000H TMOD 00H TCON 00H SCON 00H TL0 00H SBUF 不定 TH0 00H PCON 0XXX,0000B 合肥學(xué)院計(jì)算機(jī)控制設(shè)計(jì) 22 圖 46 復(fù)位電路接線圖 單片機(jī)爐溫控制系統(tǒng)主機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 圖 415 為主機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)圖。本設(shè)計(jì)對(duì)控制精度要求不高，控制功能一般，程序并不復(fù)雜。因此選用 8031 作為 CPU，選用 2732（ 4KB）作為 EPROM。 74LS273 作低 8位地址鎖存器。 6 M H Z2 0p F2 0p F2 2u F1K2 00+ 5V+ 5V+ 5V+ 5VV c c40X T A L 119X T A L 28R E S E T9EA31V s s20P S E N29A L E30P 0. 039P 0. 138P 0. 237P 0. 336P 0. 435P 0. 534P 0. 633P 0. 732P 2. 324P 2. 223P 2. 021P 2. 1228031U1 單片機(jī) 8 03 1A 1121A 1019A922A823A71A62A53A44A35A26A17A08O717O616O515O414O313O211O110O09O E / V p p20V c c24CE18G N D122732A4 K * 8U3 2 73 2A 4 K